聚丙烯裝置循環(huán)氣管道的布置及優(yōu)化研究

孫丹艷

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

聚丙烯裝置循環(huán)氣管道的布置及優(yōu)化研究

孫丹艷

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

聚丙烯氣相流化床工藝中循環(huán)氣壓縮機(jī)及其相連的管道對(duì)整個(gè)裝置起著關(guān)鍵作用。介紹了循環(huán)氣系統(tǒng)的工藝、設(shè)備布置及管道布置?；谘h(huán)氣管道的安全性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)循環(huán)氣管道進(jìn)行優(yōu)化研究。在取消循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)出口管道上金屬膨脹節(jié)的情況下，通過(guò)對(duì)循環(huán)氣冷卻器鞍座型式以及管道支吊架位置和型式的調(diào)整，使壓縮機(jī)管口仍能滿足受力和力矩要求。該優(yōu)化方案對(duì)循環(huán)氣管道布置做出了有效的探討。

聚丙烯；循環(huán)氣管道；膨脹節(jié)；優(yōu)化研究

隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，石油化工、煤化工領(lǐng)域的不斷發(fā)展，聚丙烯產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。在聚丙烴裝置中，循環(huán)氣壓縮機(jī)以及相連的循環(huán)氣管道屬于整個(gè)裝置的關(guān)鍵設(shè)備和管道。循環(huán)氣壓縮機(jī)及循環(huán)氣管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)整個(gè)裝置起著決定性的作用，將直接影響整個(gè)裝置生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。本文以某聚丙烯裝置氣相流化床工藝中循環(huán)氣管道系統(tǒng)為研究對(duì)象，闡述了循環(huán)氣管道的布置及優(yōu)化研究。

1 循環(huán)氣反應(yīng)系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

典型的流化床工藝是丙烯在催化劑的作用下在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生聚合反應(yīng)產(chǎn)生均聚物。為保證反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，通常采用壓縮機(jī)來(lái)保證反應(yīng)介質(zhì)的循環(huán)[1]。循環(huán)氣反應(yīng)系統(tǒng)主要由反應(yīng)器、離心式循環(huán)氣壓縮機(jī)、循環(huán)氣冷卻器及相連的循環(huán)氣管道組成。循環(huán)氣反應(yīng)系統(tǒng)工藝流程見圖1。

2 循環(huán)氣反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備布置

圖2為某聚丙烯裝置循環(huán)氣反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備布置圖。反應(yīng)器、循環(huán)氣壓縮機(jī)及循環(huán)氣冷卻器按流程式進(jìn)行布置，三者之間盡量靠近布置。反應(yīng)器布置在框架內(nèi)，在反應(yīng)框架的西側(cè)布置循環(huán)氣壓縮機(jī)廠房。循環(huán)氣壓縮機(jī)與聚合反應(yīng)框架中設(shè)備間的布置應(yīng)滿足GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的強(qiáng)制性要求。循環(huán)氣壓縮機(jī)廠房設(shè)置為半敞開結(jié)構(gòu)[2]。循環(huán)氣冷卻器布置在反應(yīng)框架北側(cè)地面上，方便冷卻器的清堵和檢修。

圖1 循環(huán)氣反應(yīng)系統(tǒng)工藝流程Fig.1 The process of cycle gas reaction system

3 循環(huán)氣管道的布置研究

循環(huán)氣管道系統(tǒng)中有三根主要管道：① 反應(yīng)器出口至循環(huán)氣壓縮機(jī)入口，30"-P-01；② 循環(huán)氣壓縮機(jī)出口至循環(huán)氣冷卻器入口，30"-P-02；③ 循環(huán)氣冷卻器出口至反應(yīng)器入口，30"-P-03。

3.1 循環(huán)氣管道布置

離心式循環(huán)氣壓縮機(jī)屬于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器，當(dāng)管道受到膨脹或收縮的影響時(shí)，對(duì)其所連接的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器將產(chǎn)生作用力。管道作用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的荷載過(guò)大時(shí)，將造成轉(zhuǎn)動(dòng)軸的不對(duì)中、轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙改變，引起機(jī)器磨損和振動(dòng)，影響機(jī)器的正常運(yùn)行，因此必須對(duì)管道作用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的荷載加以限制[3]。結(jié)合項(xiàng)目專利商的研究及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，某聚丙烯裝置第二反應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)氣管道布置如下。

圖2 循環(huán)氣反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備布置Fig.2 The layout of cycle gas reaction system

30"-P-01是壓縮機(jī)入口管道，內(nèi)部介質(zhì)為氣相丙烯（含少量聚丙烯粉末）。為了防止管道的堵塞，應(yīng)盡量減少管道的長(zhǎng)度。為了保證整個(gè)管道系統(tǒng)的柔性，管道從反應(yīng)器出口接出之后便設(shè)置了彈簧支架、導(dǎo)向支架并在靠近壓縮機(jī)入口處設(shè)置了復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)，使壓縮機(jī)入口的受力在允許范圍內(nèi)。

30"-P-02是壓縮機(jī)出口管道。壓縮機(jī)的進(jìn)出口管道都有較為嚴(yán)格的受力要求，所以在壓縮機(jī)出口管道的水平部分設(shè)置了一組復(fù)式萬(wàn)向型膨脹節(jié)，管道的垂直部分設(shè)置了角向型膨脹節(jié)，同時(shí)再通過(guò)管道上的導(dǎo)向支架和彈簧支架，使整根管道滿足應(yīng)力要求。

30"-P-03是從冷卻器出來(lái)進(jìn)入反應(yīng)器的管道。這根管道的位置較低，因此是屬于比較安全的一根管道。通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置導(dǎo)向支架和承重支架便使管道能夠滿足柔性要求。

循環(huán)氣管道的布置三維模型圖見圖3。

通過(guò)設(shè)置金屬膨脹節(jié)和特殊支架能夠較好地吸收循環(huán)氣管道的熱脹冷縮，降低了管道變形的同時(shí)也提高了管道的使用壽命。由于循環(huán)氣管道有較高的壓力，為了保證安全，專利商特別要求管道上使用的膨脹節(jié)為雙層帶報(bào)警的金屬膨脹節(jié)。但是膨脹節(jié)終究屬于較易泄漏的部件，一旦發(fā)生泄漏可能會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)停車，從而對(duì)整個(gè)裝置產(chǎn)生影響。在第二反應(yīng)循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)出口管道上一共安裝了四個(gè)30 in（1 in=2.54 cm）雙層帶報(bào)警的金屬膨脹節(jié)，而每一個(gè)膨脹節(jié)的價(jià)錢也相當(dāng)昂貴。為了提高循環(huán)氣管道的安全性和經(jīng)濟(jì)性，下文將嘗試通過(guò)取消壓縮機(jī)進(jìn)出口管道上的金屬膨脹節(jié)、改變管道上的支架位置及型式來(lái)滿足壓縮機(jī)管口的受力和力矩要求，對(duì)循環(huán)氣管道的布置進(jìn)行優(yōu)化研究。

圖3 循環(huán)氣管道布置三維模型Fig.3 The 3D model of cycle gas piping arrangement

3.2 循環(huán)氣管道優(yōu)化研究

3.2.1 循環(huán)氣壓縮機(jī)入口管道

在取消壓縮機(jī)入口膨脹節(jié)，其它條件都不變的情況下，通過(guò)CAESARⅡ軟件計(jì)算得到壓縮機(jī)入口管口承受的力和力矩，見表1。

根據(jù)壓縮機(jī)入口管口的受力和力矩情況，首先將壓縮機(jī)入口管道上彎頭處的RS-05調(diào)整為剛性吊架HS-05，可以有效阻止反應(yīng)器出口垂直管道的熱脹作用在壓縮機(jī)入口處，同時(shí)也可以去除摩擦力對(duì)壓縮機(jī)管口的影響。其次壓縮機(jī)本體也有熱位移，其熱位移的方向?yàn)榇怪毕蛏虾脱刂肟谳S線方向。為了吸收壓縮機(jī)垂直位移和進(jìn)行無(wú)應(yīng)力安裝，在進(jìn)口管道設(shè)置了兩個(gè)可變彈簧。將原管道上原導(dǎo)向架GS-06調(diào)整為SS-06。優(yōu)化后，壓縮機(jī)入口管道布置見圖4，管口承受的力和力矩見表2。

表1 膨脹節(jié)取消后壓縮機(jī)入口承受的力和力矩Tab.1 The force and torque of compressor inlet without expansion joint

圖4 壓縮機(jī)入口管道優(yōu)化后三維模型Fig.4 The 3D model of compressor inlet piping optimization

表2 管道支架優(yōu)化后壓縮機(jī)入口承受的力和力矩Tab.2 The force and torque of compressor inlet after optimizing the piping support

3.2.2 循環(huán)氣壓縮機(jī)出口管道

在取消壓縮機(jī)出口膨脹節(jié)，其它條件都不變的情況下，壓縮機(jī)出口承受的力和力矩見表3。

表3 膨脹節(jié)取消后壓縮機(jī)出口承受的力和力矩Tab.3 The force and torque of compressor outlet without expansion joint

由表3可見，膨脹節(jié)取消后壓縮機(jī)出口的力和力矩很大。若要滿足壓縮機(jī)管口的受力和力矩要求，就必須對(duì)管道及設(shè)備的布置進(jìn)行深入研究。

從圖2設(shè)備布置可以看出，壓縮機(jī)和反應(yīng)器是布置在一條線上，壓縮機(jī)出口水平管道將近有14 m，但循環(huán)氣冷卻器設(shè)備鞍座的固定端卻限制了壓縮機(jī)管道的熱脹，故將設(shè)備鞍座改成滑動(dòng)型。為了減小摩擦力在設(shè)備鞍座下又增加了PTFE板。優(yōu)化后壓縮機(jī)出口承受的力和力矩見表4。

表4 設(shè)備鞍座優(yōu)化后壓縮機(jī)出口承受的力和力矩Tab.4 The force and torque of compressor outlet after optimizing the cooler saddle

由表4可見，My和Mz仍然較大。因此，為了消除壓縮機(jī)出口水平的熱脹和與循環(huán)氣相連管道的熱脹，在彎頭處需要設(shè)置一個(gè)限位支架，故將原GC-11調(diào)整為DS-11，可以有效阻止z向管道的熱脹。但是管口Mz數(shù)值較大是由壓縮機(jī)出口垂直管道熱脹引起，因此考慮把垂直管道下彎頭承重支架移到上彎頭處，新增吊架HS-17。吊架有效地阻止了y向管道的熱脹對(duì)壓縮機(jī)的影響，并減小了管口摩擦力。優(yōu)化后的壓縮機(jī)出口管道布置見圖5。

圖5 壓縮機(jī)出口管道優(yōu)化后三維模型Fig.5 The 3D model of compressor outlet piping optimization

最后通過(guò)微調(diào)在壓縮機(jī)附近的彈簧支架，減小管道對(duì)壓縮機(jī)管口的影響。經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化后，壓縮機(jī)出口承受的力和力矩如表5所示。

3.2.3 循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)出管口校核

離心式壓縮機(jī)管口校核一般按API 167《Axial And Centrifugal Compressors And Expander-compressors For Petroleum， Chemical And Gas Industry Services》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其要求：

a）作用于任何一個(gè)管口的合力和合力矩按式（1）校核。

表5 管道支架優(yōu)化后壓縮機(jī)出口承受的力和力矩Tab.5 The force and torque of compressor outlet after optimizing the piping support

b）作用于入口、側(cè)線和出口的合力折合至最大管徑的中心按式（2）校核。

c）分力和分力矩按式（3）至式（8）校核。

根據(jù)式（1），循環(huán)氣壓縮機(jī)入口的計(jì)算結(jié)果為1 522.01≤20 720.3，即壓縮機(jī)入口的受力符合要求；循環(huán)氣壓縮機(jī)出口的計(jì)算結(jié)果為7 993.57≤20 720.3，即壓縮機(jī)出口的受力符合要求。

根據(jù)式（2），計(jì)算結(jié)果為18 011.12≤20 482.8，即作用于壓縮機(jī)入口和出口的合力折合至最大管徑的中心符合要求。

最后再根據(jù)式（3）至式（8）對(duì)分力和分力矩進(jìn)行校核：

上述計(jì)算表明，循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)出口管道上的金屬膨脹節(jié)取消后，壓縮機(jī)進(jìn)出口的受力和力矩均能滿足要求。

待壓縮機(jī)制造商提供管口允許受力和力矩之后，對(duì)其管口進(jìn)行再次校核。

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)單介紹了氣相流化床聚丙烯裝置中循環(huán)氣系統(tǒng)的工藝、設(shè)備布置及管道布置，并提出了對(duì)于循環(huán)氣管道布置的優(yōu)化方案。通過(guò)取消循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)出口管道上的金屬膨脹節(jié)即可以節(jié)省項(xiàng)目投資，又可以提升裝置管道運(yùn)行的安全性。雖然目前這個(gè)優(yōu)化方案僅屬于理論上的研究，并未考慮到制造商資料對(duì)于壓縮機(jī)管口的二次校核、現(xiàn)場(chǎng)安裝等其他因素的影響，仍具有一定的可參考性。同時(shí)也希望有機(jī)會(huì)能夠真正地將這個(gè)優(yōu)化方案應(yīng)用于未來(lái)的實(shí)際項(xiàng)目中。

[1]王全衛(wèi)， 張歡. 聚丙烯裝置循環(huán)氣管道設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析[J]. 山東化工， 2014， 43 ： 152-155.

[2]張俊. 淺析UNIPOL工藝聚丙烯裝置聚合反應(yīng)單元設(shè)備布置[J]. 山東化工， 2015， 44（12）： 121-125.

[3]毛悠然，趙曉政，劉仁濤. CAESARⅡ軟件在離心壓縮機(jī)配管受力分析中的應(yīng)用[J]. 化工生產(chǎn)技術(shù)， 2006， 13（3）： 39-40.

Arrangement and Optimizing Study of Cycle Gas Piping in Polypropylene Plant

Sun Danyan

（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

In the process with polypropylene gas fowing bed, cycle gas compressor and its connecting pipeline play signifcant role for whole plant. In this article, the process for cycle gas system, and the arrangement of equipment and pipeline were introduced.Based on the safety and economy of cycle gas pipeline, the optimization was studied. Under the condition of removing the expansion joints at inlet and outlet, through changing the type of saddle in cycle gas cooler and adjusting the location and type of piping supports, the strength requirement in bearing force and moment for the nozzle of compressor can still be reached. Using this optimization scheme, the arrangement of cycle gas pipeline was discussed.

polypropylene; cycle gas pipeline; expansion joint; optimization study

TQ 325.1+4

A

2095-817X（2017）03-0014-004

2017-02-06

孫丹艷（1985—），女，工程師，主要從事化工項(xiàng)目的設(shè)備布置及管道設(shè)計(jì)工作。